Роботы, дроны и датчики уже сейчас помогают проводить проверки, а в недалеком будущем их можно будет полностью автоматизировать.

Дроны и ползающие роботы, оснащенные специальными сканерами, могут продлить срок службы лопастей ветряных электростанций, что может снизить стоимость ветровой энергии в условиях, когда лопасти становятся больше, дороже и сложнее в транспортировке. С этой целью исследователи из программы Blade Reliability Collaborative Министерства энергетики США и Национальной лаборатории Сандия работают над способами неинвазивной проверки лопастей ветряных электростанций на наличие скрытых повреждений, которые были бы быстрее и детальнее традиционных проверок, проводимых человеком с помощью камер.

Лопасти ветрогенератора — самые большие цельные композитные конструкции в мире, даже больше любого самолета, и их часто устанавливают на машины в удалённых местах. Лопасть подвергается воздействию молний, града, дождя, влажности и других факторов, проходя миллиард циклов нагрузки за свой срок службы, но её нельзя просто так поставить в ангар для обслуживания.

Пакетт утверждает, что регулярный осмотр и ремонт критически важны для поддержания лопаток турбин в рабочем состоянии. Однако современные методы осмотра не всегда позволяют своевременно обнаружить повреждения. Чтобы изменить ситуацию, компания Sandia опирается на опыт исследований в области авионики и робототехники. Обнаружение повреждений до того, как они станут заметны, позволяет выполнить менее дорогостоящий и менее затратный ремонт, который позволяет восстановить лопатку и продлить срок её службы, говорит он.

В одном из проектов компания Sandia оснастила ползающего робота сканером, который ищет повреждения внутри лопастей ветрогенератора. Во второй серии проектов Sandia оснастила дроны датчиками, которые используют тепло солнечного света для обнаружения повреждений.

По словам Пакетта, традиционно в ветроэнергетике используются два основных подхода к осмотру лопастей ветрогенераторов. Первый вариант — отправить специалиста с камерой и телеобъективом. Инспектор переходит от лопасти к лопасти, делая фотографии и выявляя видимые повреждения, такие как трещины и эрозия. Второй вариант похож, но вместо того, чтобы стоять на земле, инспектор спускается по верёвке с вышки ветрогенератора или перемещает платформу крана вверх и вниз по лопасти.

При визуальном осмотре видны только поверхностные повреждения. Однако зачастую к тому времени, как на внешней стороне лезвия появляется трещина, повреждение уже довольно серьёзное. Вам предстоит дорогостоящий ремонт, а возможно, даже полная замена лезвия.

По словам Пакетта, эти инспекции пользуются популярностью благодаря своей доступности, но они не позволяют обнаружить повреждение до того, как оно перерастёт в более серьёзную проблему. Ползающие роботы и дроны Sandia призваны сделать неинвазивный внутренний осмотр лопастей ветряных электростанций жизнеспособным решением для отрасли.

Sandia и её партнёры International Climbing Machines и Dophitech создали ползающего робота, вдохновлённого машинами, которые проверяют плотины. Робот может двигаться из стороны в сторону и вверх-вниз по лопасти ветрогенератора, словно красящий рекламный щит. Встроенные камеры делают высококачественные изображения для обнаружения поверхностных повреждений, а также небольших демаркационных линий, которые могут указывать на более крупные подземные повреждения. Во время движения робот также использует зонд для сканирования лопасти на предмет повреждений с помощью фазированной ультразвуковой решётки.

Сканер работает подобно ультразвуковым аппаратам, используемым врачами для осмотра внутренних органов, но в данном случае он обнаруживает внутренние повреждения лезвий. Изменения в этих ультразвуковых сигнатурах автоматически анализируются для выявления повреждений.

Старший научный сотрудник Sandia и руководитель проекта по созданию роботизированного гусеничного аппарата Деннис Роуч говорит, что ультразвуковой контроль с фазированной решеткой может обнаружить повреждения на любом слое внутри толстых композитных лопастей.

Удар или перенапряжение, вызванное турбулентностью, создают подповерхностные повреждения, которые не видны. Идея заключается в том, чтобы обнаружить повреждение до того, как оно достигнет критического размера и его можно будет устранить менее дорогостоящим ремонтом, который также сократит время простоя лопасти. Мы хотим избежать любых поломок или необходимости демонтажа лопасти.

Роуч рассматривает роботизированные гусеничные роботы как часть комплексного метода проверки и ремонта лопастей ветрогенераторов.

Представьте себе ремонтную бригаду на платформе, поднимающуюся по лопасти ветрогенератора, а робот ползёт впереди. Когда робот обнаруживает что-то, инспекторы могут попросить его отметить это место, чтобы определить место подземного повреждения. Ремонтная бригада шлифует повреждение и ремонтирует композитный материал. Такой комплексный подход к осмотру и ремонту позволяет быстро вернуть лопасть в эксплуатацию.

Компания Sandia также сотрудничала с несколькими малыми предприятиями в рамках серии проектов по оснащению дронов инфракрасными камерами, которые используют солнечное тепло для обнаружения скрытых повреждений лопастей ветрогенератора. Этот метод, называемый термографией, позволяет обнаружить повреждения на глубине до полудюйма внутри лопасти.

Мы разработали метод, при котором лезвие нагревается на солнце, а затем вращается или наклоняется до тех пор, пока оно не окажется в тени. Солнечный свет рассеивается в лезвии и выравнивает его температуру. По мере рассеивания тепла поверхность лезвия, как правило, охлаждается. Однако изъяны, как правило, нарушают тепловой поток, оставляя поверхность над изъянами горячей. Инфракрасная камера обнаруживает эти горячие точки и отмечает их как обнаруженные повреждения.

Наземные термографические устройства в настоящее время используются в других отраслях, например, при обслуживании самолетов. Поскольку камеры устанавливаются на дронах, приходится идти на уступки, говорит Эли.

Вам не нужна дорогая дроновая система, которая может разбиться, и вам не нужен слишком мощный двигатель. Поэтому мы используем очень маленькие ИК-камеры, соответствующие нашим критериям, а затем используем оптические изображения и лидар для получения дополнительной информации.

Лидар, аналог радара, но использующий видимый свет вместо радиочастотных волн, измеряет время, необходимое свету для прохождения пути от точки до объекта и обратно, чтобы определить расстояние между объектами. Вдохновившись программой NASA по посадке на Марс, исследователи использовали лидар и движение дрона для получения изображений со сверхвысоким разрешением. Дрон, осматривающий лопасть ветрогенератора, движется во время съемки, и это движение позволяет получать изображения со сверхвысоким разрешением.

Движение используется для заполнения дополнительных пикселей. Если у вас есть камера или лидар с разрешением 100x100 пикселей и вы делаете один снимок, это разрешение — всё, что у вас есть. Но если вы перемещаетесь во время съёмки на величину, равную доле пикселя, вы можете заполнить эти пробелы и создать более мелкую сетку. Данные из нескольких кадров можно объединить для создания изображения с высоким разрешением.

Использование лидара и изображений сверхвысокого разрешения также позволяет исследователям точно отслеживать место повреждения лезвия, а лидар также может измерять эрозию на кромках лезвия.

Автономные проверки мостов и линий электропередач уже стали реальностью, и Пакетт полагает, что они также станут важными элементами обеспечения надежности лопастей ветряных электростанций.

Автономная инспекция станет огромной областью, и она действительно имеет смысл в ветроэнергетике, учитывая размер и расположение лопастей. Вместо того, чтобы человеку приходилось ходить или ездить от лопасти к лопасти в поисках повреждений, представьте, если бы инспекции были автоматизированы.

Пакетт утверждает, что существуют возможности для различных методов проверки: от простых проверок с помощью наземных камер до совместной работы беспилотников и гусеничных роботов для определения состояния лопасти.

Я могу представить, что у каждой ветряной электростанции будет дрон или целый парк дронов, которые будут ежедневно взлетать, облетать ветряные турбины, проводить все необходимые проверки, а затем возвращаться и загружать данные. Затем оператор ветряной электростанции придёт и проанализирует данные, уже обработанные искусственным интеллектом, который будет искать отличия в лопастях от результатов предыдущих проверок и отмечать потенциальные проблемы. Затем оператор запустит роботизированный гусеничный робот на лопасти с предполагаемым повреждением, чтобы получить более детальный осмотр и спланировать ремонт. Это станет значительным шагом вперёд для отрасли.